고차 보간을 이용한 고화질 볼륨 가시화를 위한 GPU 기반의 가속화 기법

Abstract

볼륨 가시화의 샘플링 단계에서는 일반적으로 선형 보간이 사용된다. 보통 선형 보간은 좋은 화질의 영상을 보여주지만 혈관, 신경관 같은 정밀 가시화의 경우 기대에 미치지 못하는 영상이 출력된다. 따라서 의료영상 소프트웨어는 높은 화질의 영상이 필요하다. 본 연구는 볼륨 가시화 샘플링 단계에서 B 스플라인 기반의 삼차 보간을 수행한다. 기존의 B 스플라인은 근사 함수의 특징을 가지고 있어 제어점을 지나지 않는다. 따라서 제어점을 이동하여 재생성 된 곡선이 기존의 제어점을 지나는 B 스플라인 보간법을 사용하였다. 이러한 삼차 보간은 선형 보간에 비해 매우 높은 연산량을 요구하기 때문에 가속화 기법을 필요로 하게 된다. 일반적으로 가시화 단계에서 불필요한 연산을 줄여 속도를 향상하기 위해 빈공간 도약 가속화 기법을 적용한다. 빈 공간을 판단하기 위해서는 각 블록에 대한 최대값을 계산해야 하지만 선형 보간과 달리 삼차 보간은 곡선이기 때문에 정확한 최대값을 구하기 어렵다. 다만 B 스플라인은 볼록포 성질이 있어 제어점의 값을 최대값으로 사용할 수 있다. 하지만 B 스플라인 제어점을 이용하여 구한 최대값은 보수적인 범위로 계산돼 빈공간 도약 효율이 낮아 렌더링 속도가 떨어지게 된다. 본 연구에서는 B 스플라인 곡선을 조각적 베지어 곡선으로 분해하여 타이트한 최대값을 얻어 렌더링 속도를 개선한다. 또한 결합전송을 위해 GPU 병렬처리에서 메모리 참조를 효율적으로 수행하는 블록, 스레드 구조를 제안하였다. 그 결과로 삼차 보간 기반의 고화질 볼륨 가시화가 기존의 B 스플라인 기반 빈공간 도약에 비해 2배 이상의 성능이 향상된다.|Linear interpolation is usually used a basic sampling method for volume visualization. This method generates good images but in the case of precision visualization such as blood vessels and neural tube it is inferior to our high expectation. Therefore, medical image software needs high quality image. In this paper, B spline based tri-cubic interpolation is used for the re-sampling step. The conventional B spline is an approximate function and does not cross the control points. So we moved the control points and the curve crosses the original control points. Such a cubic interpolation needs a much higher computational complexity than linear interpolation and therefore requires an acceleration technique. In general, we apply the empty space leaping acceleration method to improve speed by reducing unnecessary operations in the rendering step. The maximum value for each block must be calculated to determine the empty space. However, the cubic interpolation is a curve, it is difficult to obtain an accurate maximum value. The B spline has convex hull, so the value of the control point can be used as the maximum value. However, the maximum value obtained using the B spline control point is conservative. Consequently, the empty space leap efficiency is low and the rendering speed is reduced. In this paper, we decompose the B spline curve into a divisioned Bezier curve to obtain a tight maximum and improve the rendering speed. Also, proposed a block and thread structure that efficiently performs memory references in GPU parallel processing through memory coalescing. As a result, tri-cubic interpolated volume rendering is possible in interactive speed.